華東理工大學(xué)：鋰電池失效研究最新成果

近日，來(lái)自華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院欒偉玲教授課題組與該校講座教授、英國(guó)思克萊德大學(xué)陳浩峰教授合作，在機(jī)械工程領(lǐng)域頂級(jí)期刊Journal of Mechanics and Physics of Solids (JMPS)發(fā)表了題為“Shakedown, ratcheting and fatigue analysis of cathode coating inlithium-ion battery under steady charging-discharging process”的研究論文，首次報(bào)道了鋰離子電池電極材料在穩(wěn)態(tài)循環(huán)充放電過(guò)程中的塑性行為及失效機(jī)理研究成果。

鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)成為汽車(chē)運(yùn)輸和電子產(chǎn)品能源的優(yōu)先選擇。在鋰離子電池循環(huán)充放電過(guò)程中，隨著鋰離子的嵌入脫出，電極材料活性物質(zhì)體積發(fā)生膨脹和收縮，從而產(chǎn)生循環(huán)擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力。鋰離子電池中電極材料在循環(huán)擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力以及機(jī)械載荷聯(lián)合作用下，會(huì)發(fā)生循環(huán)塑性行為導(dǎo)致的電極材料損傷，如棘輪和疲勞，從而影響電極材料的完整性，這是電池壽命衰減的一個(gè)重要原因。

研究團(tuán)隊(duì)就目前最為關(guān)注的LiNixMnyCozO2(NMC)三元正極材料為研究對(duì)象，基于電池充放電實(shí)驗(yàn)和有限元分析模型（圖1），應(yīng)用自主研發(fā)的新一代先進(jìn)數(shù)值方法計(jì)算了NMC活性層在循環(huán)擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力和恒定機(jī)械載荷下的安定棘輪邊界（圖2），為理解不同充放電工況下電極材料的不同損傷機(jī)理鋪平了道路。

圖1 (a)正極材料鋰離子嵌入/脫出過(guò)程示意圖 (b)鋰化階段模型施加載荷和邊界條件

另外數(shù)值結(jié)果也表明，正極中心存在低周疲勞現(xiàn)象，正極邊緣存在棘輪現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合（圖2）。論文進(jìn)一步考慮了NMC活性層厚度對(duì)電池性能的影響，結(jié)果表明反向塑性極限和棘輪極限隨厚度的增加而增大，而隨著活性層的變薄正極在受到循環(huán)擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力時(shí)變得更加危險(xiǎn)，必須綜合考慮厚度對(duì)NMC活性層力學(xué)破壞和電化學(xué)性能的影響。此外，結(jié)合電化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步得到了NMC活性層的疲勞損傷壽命曲線，可以有效地預(yù)測(cè)鋰離子電池電極材料活性涂層在不同充放電工況下的使用壽命。

圖2 (a) NMC正極材料涂層安定和棘輪極限邊界 (b) 詳細(xì)有限元分析驗(yàn)證安定和棘輪邊界的準(zhǔn)確性(c) NMC活性層塑性應(yīng)變范圍和棘輪應(yīng)變?cè)茍D(d)循環(huán)充放電試驗(yàn)前（左）和循環(huán)充放電試驗(yàn)后（右）的NMC正極

該論文第一作者是我校欒偉玲教授和英國(guó)思克萊德大學(xué)陳浩峰教授聯(lián)合指導(dǎo)的博士研究生陳瑩，欒偉玲教授和陳浩峰教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家留學(xué)基金委、國(guó)家自然科學(xué)基金、“111”引智計(jì)劃、上海汽車(chē)工業(yè)科技發(fā)展基金會(huì)的資助。

值得指出的是，在過(guò)去一年里，該團(tuán)隊(duì)在鋰離子電池電極活性顆粒以及極片損傷模型建立、循環(huán)塑性破壞及壽命預(yù)測(cè)方面的研究取得了一系列進(jìn)展，已發(fā)表多篇高影響力學(xué)術(shù)論文（International Journal of Mechanical Sciences, 2020: 105608;International Journal of Fatigue, 2021, 142: 105915; European Journal ofMechanics, A/Solids, 2021, 86:104175）。該研究工作在基于應(yīng)力場(chǎng)的鋰離子電池電極壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域的研究結(jié)果不僅系統(tǒng)解析了電極材料的力學(xué)損傷機(jī)理，也對(duì)優(yōu)化電極材料的設(shè)計(jì)與合成、獲得高性能高安全性的鋰離子電池具有重要的指導(dǎo)意義。（來(lái)源：華東理工大學(xué))

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